连续定位不同施氮水平对棉花光合特性及产量的影响

王芳,李春梅,马云珍,郑苍松,徐文修*,李玲

(1.新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心,新疆 乌鲁木齐830052;2.中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室,河南 安阳 455000)

新疆是中国最大的优质棉生产基地。2020年棉花播种面积达250.19万hm2,占全国播种面积的78.9%,产量占全国的87.3%,尤其是棉花单产已连续26年居全国之首[1]。在新疆棉花长久发展中,棉田化肥投入水平不断提高,尤其是氮肥投入,南疆地区平均施纯氮量已达426 kg·hm-2以上[2]。棉田氮肥的高投入不仅导致经济效益减少,还带来环境污染和资源浪费等一系列问题[3]。所以,在“双减”的大背景下,适宜减少棉田氮肥投入量、保持棉花稳产、高产是目前亟待解决的重要问题。

前人关于氮肥对作物生长发育影响等的研究较多[4-9]。在适宜的施氮范围内,施氮肥可使小麦[10]、水稻[11]、玉米[12]、棉花[13]等作物叶面积指数、净光合速率、气孔导度显著提高,增加叶片同化CO2的能力,若施氮不足或过高,均不利于光合作用的提高。此外,前人也针对作物长期施氮进行了研究,张邦喜等[14]对贵州黄坡耕地设置春玉米-冬小麦间套作种植,研究发现玉米在 0～146.25 kg·hm-2、小麦在 0～150 kg·hm-2的施氮量下,籽粒产量随着施氮量提高而增加,超过这个范围造成作物减产。刘艳等[15]和张艳君等[16]对辽北地区单季玉米产量研究发现,连续7年定位施氮为241.5 kg·hm-2时,玉米平均籽粒产量可达 9 598.1 kg·hm-2。而赵靓等[17]在石河子长期施氮研究中发现玉米高产的适宜施氮量为260～340 kg·hm-2。因此,不同种植区作物适宜的施氮量不同。李鹏程等[18]对黄河流域棉花3年田间的氮肥定位试验表明,随着施氮量的增加,棉花群体LAI、初花期净光合速率、蒸腾速率随着施氮量的增加呈增加趋势,籽棉产量随着施氮量的增加呈先增加后下降的变化趋势。也有学者对南疆地区4年氮肥进行定位研究,发现皮棉最高产量为2 670.2 kg·hm-2对应的最佳施氮量为367.4 kg·hm-2[19]。

目前研究多为1～2年不同施氮水平对作物生长发育及产量等的研究,关于连年定位施氮的试验多集中于小麦、玉米等作物,而关于新疆棉花连续定位施氮的研究,也仅在南疆地区对皮棉产量与施氮量的关系进行了试验,缺乏连续定位施氮对棉花光合特性及产量影响的系统研究。因此,本研究在连续3年不同施氮水平定位的基础上,研究不同施氮量对棉花光合特性及产量的影响,以揭示不同施氮水平对棉花光合特性及产量的影响规律,为南疆棉区合理减施氮肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.1.1 试验区概况于2018年至2020年连续3年在中国农业科学院棉花研究所阿拉尔试验站(80°30′E,40°22′N)进行氮肥定位试验。试验地位于塔里木盆地北部,属于暖温带极端大陆性干旱荒漠气候,极端最高气温35 ℃,极端最低气温-28 ℃。年均日照2 556.3～2 991.8 h,日照率为58.69%。该区雨量稀少,冬季少雪,地表蒸发强烈,年均降水量为40.1～82.5 mm,年均蒸发量1 876.6～2 558.9 mm。2019年和2020年的气温及降水量见图1。试验地土壤为砂壤土,2018年土壤有机质含量10.58 g·kg-1,碱解氮含量84.87 mg·kg-1,全氮0.64 g·kg-1,速效磷25.38 mg·kg-1,速效钾190.5 mg·kg-1,pH7.7。

图1 2019—2020年试验地气温及降水变化Fig.1 Climate data,temperature and precipitation changes in test sites from 2019 to 2020

1.1.2 试验设计于2018年采用单因素完全随机区组试验设计,设置纯氮0、90、180、270、360、450 kg·hm-2共6个处理,分别用N0、N90、N180、N270、N360、N450表示,小区面积为121.98 m2(10.7 m×11.4 m),重复3次,共18个小区。2019至2020年连续2年在2018年各小区不同施氮量的原位进行定点定量重复试验,供试氮肥为尿素(46%)。氮肥的施用时期和施用量见表1。

表1 不同处理的施肥时期和施用量Table 1 Fertilization period and application amount of different treatments kg·hm-2

每年试验地播种前结合整地施入磷酸二铵(P2O553%,N 21%)150 kg·hm-2,重铬酸钾(K 21%)150 kg·hm-2。采取76 cm等行距种植模式,膜宽为2.05 m,种植密度为18万株·hm-2,灌溉为膜下滴灌,全生育期滴灌总量为3 750 m3·hm-2。2018年供试棉花品种为‘中棉所49’,2019—2020年为‘中棉所96A’。连续3年种植,每年于4月中下旬播种,10月上旬收获。其余田间管理参照常规大田进行。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤基础养分2018年犁地前采用五点取样法,取0～20 cm土层土样,分别采用pH试纸法、重铬酸钾容量法、碱解扩散法、钼锑抗比色法、乙酸铵浸提法、奈式比色法等测定方法,测定pH值及有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮等养分含量。

1.2.2 叶面积指数在棉花的各生育时期选择阴天或晴天的傍晚进行,各小区采用CI-110植物冠层数字图像分析仪(CID公司,美国)测定,将安装有鱼眼探测头的观测棒定点于行间,距地表面1 cm,调好水平,从计算机屏上观察,当无人影等其他外界影响时开始拍照,用计算机进行图像数字化处理,得到叶面积指数(LAI)。

1.2.3 叶绿素相对含量于棉花现蕾期、盛蕾期、盛花期、盛铃期选择晴朗无云天气,在10:00—12:00每小区采用叶绿素仪(SPAD-502 型,日本)测定连续无损伤且长势均匀的5株棉花,选取倒4叶(打顶后测定棉花倒3叶),避开主叶脉,取叶片主叶脉两侧靠近叶尖的位置测定5个部位的平均值,记作SPAD值。

1.2.4 光合参数于棉花现蕾期、盛蕾期、盛花期、盛铃期选择晴朗无云天气,在12:00—14:00每小区采用光合仪(CARIS-2 型,美国)测定连续无损伤且长势均匀的3株棉花功能叶(打顶前测定倒4叶、打顶后测定倒3叶)的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)及胞间 CO2浓度(Ci)。

1.2.5 产量及其构成因素在棉花吐絮期记录每小区单位面积的棉花株数和铃数,取棉花20朵,晾晒后测其单铃重,并对各小区进行实收,晒干后计产。

1.3 数据分析

采用 Microsoft Excel 2010 绘图,用 SPSS 19.0软件统计分析数据,用Duncan’s 新复极差法进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 连续定位施氮对棉花叶面积指数(LAI)的影响

由图2可知:2019和2020年各处理的LAI均随生育进程的推进呈先增加后下降的趋势,均在盛铃期达到最大,2019年为3.38～4.10,2020年为2.08～4.59,且在整个生育期各处理的平均LAI从大到小的处理依次为N270、N450、N360、N180、N90、N0。2019年在盛花期至盛铃后期,不施氮(N0)、低氮(N90、N180)处理的LAI与中高氮(N270、N360、N450)处理差异显著,2020年各处理的LAI的差异规律与2019年相似,但各处理间的差异更显著,尤其是N0处理的LAI平均值仅为1.38,且与其他各处理差异显著,比N90、N180、N270、N360、N450处理分别降低26.97%、32.43%、56.92%、52.62%、54.76%。可见,连续不施氮或低氮均不利于棉花LAI的提高,而中高氮可促进植株LAI提高,尤其是中氮(N270)处理效果最优。

图2 不同施氮水平对棉花叶面积指数(LAI)的影响Fig.2 Effect of different nitrogen application levels on leaf area index(LAI)of cotton不同字母表示同一时期不同处理差异显著(P<0.05)。下同。Different letters in the same stage mean significant difference among different fertilizer treatments at the 0.05 level. The same below.

2.2 连续定位施氮对棉花叶绿素含量(SPAD)的影响

从图3可见:2019和2020年各处理的SPAD值随着生育进程呈先增后降的趋势,N270处理的SPAD值较大。2年的SPAD值表现为中高氮(N270、N360、N450)处理高于不施氮(N0)、低氮(N90、N180)处理,2019年除现蕾期外,N270、N360、N450处理与N0、N90、N180处理间差异显著。2020年则表现为N270处理与N0、N90、N180、N450处理间差异显著,N360与N450处理抑制SPAD值的增加,分别比N270处理降低1.14%、2.06%。N0处理SPAD值显著降低,比N90、N180、N270、N360、N450处理降低 4.19%、7.54%、10.48%、9.22%、8.20%。说明连续定位不施氮、低施氮均不利于棉花SPAD值的提高,N360、N450处理随着连续定位年限的增加,对SPAD值的抑制效果更为明显,N270处理促进SPAD值增加。

图3 不同施氮水平对棉花叶绿素含量(SPAD)的影响Fig.3 Effect of different nitrogen application levels on chlorophyll content(SPAD)of cotton

2.3 连续定位施氮对棉花光合参数的影响

2.3.1 净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)从图4可见:2年Pn、Tr随着施氮量的增加呈先增加后降低的变化趋势,各处理均在盛蕾期达到峰值,以N270处理最大。2019年盛花期至盛铃期中高氮处理与不施氮、低氮处理间差异显著;2020年盛蕾期至盛铃期,中高氮处理的Pn和Tr与不施氮、低氮处理的差异较2019年显著,说明连续高量施氮造成植株氮素累积,使N360、N450高氮处理对Pn和Tr反而起抑制作用,尤其是N450处理更为明显。盛蕾期至盛铃期N0处理的Pn和Tr与其他施氮处理间差异显著,N90、N180、N270、N360、N450处理比N0处理的Pn分别增加5.70%、6.82%、15.91%、13.66%、12.79%,Tr分别增加13.56%、9.53%、28.95%、20.93%、21.51%。由此可见,连续不施氮棉花的Pn、Tr均为最低水平;低量施氮棉花Pn和Tr的提高不显著;连续定位施氮年限越长且施氮量越高对Pn和Tr的抑制越大;而连续中施氮量N270处理可促进棉花Pn和Tr的提高。

图4 不同施氮水平对棉花净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)的影响Fig.4 Effects of different nitrogen application levels on net photosynthetic rate(Pn)and transpiration rate(Tr)

2.3.2 气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)从图5可见:2年各处理的气孔导度(Gs)随着生育进程的推进呈现先增加后下降的趋势。2019年盛花期至盛铃期N270、N450处理与其他处理间差异显著。2020年各处理间的差异较2019年显著,除现蕾期外,均为中氮N270处理的Gs最高,比N0、N90、N180、N360、N450处理分别增加28.31%、19.74%、16.86%、3.48%、6.29%,且在盛花期至盛铃期与N0、N90、N180、N450处理间差异显著。连续定位年限越长,高氮(N450)处理对Gs有明显抑制作用,连续定位不施氮和低施氮均不能提高棉花气孔导度的开放,而中氮N270处理可促进棉花气孔导度的开放,增大气体交换。

图5 不同施氮水平对棉花气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)的影响Fig.5 Effects of different nitrogen application levels on stomatal conductance(Gs) and intercellular CO2 concentration(Ci)

2年各处理的胞间CO2浓度(Ci)与Pn、Tr及Gs呈相反的变化规律,即各处理的Ci随着生育进程的推进呈先降后增的变化规律,至盛蕾期达到最低,且以N270处理最低。2019年各生育时期不同处理间差异不显著;2020年在盛蕾期后N270处理与其他处理间差异显著,在整个生育期N270处理的Ci比N0、N90、N180、N360、N450处理分别降低14.92%、10.79%、9.07%、6.36%、5.93%,2019年分别降低6.10%、3.32%、2.65%、2.76%、1.29%。连续定位施氮量为270 kg·hm-2时,可促进叶片CO2的同化率,不施氮、低施氮处理均增大了叶片中CO2的浓度,不利于干物质的积累,N360、N450处理随着连续定位施氮年限的增加,明显抑制叶片CO2的同化作用。

2.4 连续定位施氮对棉花产量及产量构成因素的影响

由表2可知:连续定位施氮主要影响各处理的单铃重和单株铃数,从而影响产量。2018—2020年各处理的单铃重、单株铃数、产量均随着施氮量的增加呈先升后降的趋势,中氮N270处理的单铃重、单株铃数、产量最高。2018年各处理的单铃重、单株铃数无显著差异;2019年中高氮处理(N270、N360、N450)的单铃重、单株铃数无显著差异,中高氮处理与不施氮处理差异显著;2020年N0处理的单铃重、单株铃数、产量均最低,且与其他各处理间差异显著,N360、N450处理的单铃重、单株铃数基本无显著差异。

表2 不同施氮水平对棉花产量构成因素及产量的影响Table 2 Effects of different nitrogen levels on cotton yield components and yield

续表2 Table 2 continued

从各年的产量来看,2018年,除N180处理外,N270处理的籽棉、皮棉产量与其他各处理间差异显著;2019和2020年各处理的产量差异较2018年显著,2019年N0、N90、N180、N360、N450处理的产量比N270分别下降17.10%、5.11%、3.83%、3.83%、5.16%,2020年分别下降41.40%、18.30%、8.12%、9.08%、8.44%。连续定位施氮低于270 kg·hm-2或高于N270 kg·hm-2均会造成产量不同程度降低。且随着连续定位年限越长,不施氮或低施氮均不利于产量的提高;360、450 kg·hm-2高氮抑制单铃重、单株结铃数的增加,从而影响产量提高。3年连续定位施氮均表明施氮量为270 kg·hm-2时,可明显提高单铃重、单株铃数,达到稳产高产。收获指数和衣分这两个指标在年份和处理间均没有显著差异,数据未列出。

3 讨论

叶片SPAD反映植物叶片叶绿素含量[20-21]。前人对不同施氮量的研究均表明,LAI、SPAD随着施氮量的增加而增大,当达到一定施氮量时,LAI、SPAD的提高不明显[7,22];田雨等[23]研究表明,低氮处理可促进光合作用,施氮过高影响盛铃后期气孔导度和蒸腾速率的提高,这与本试验结果基本一致。也有学者进行3年棉花氮肥定位研究,结果表明施氮量在0～450 kg·hm-2,棉花LAI、SPAD及Pn、Tr均随着施氮量的增加而增加[18]。而本试验发现连续施氮量为0～270 kg·hm-2时,LAI、SPAD、Pn、Tr、Gs等光合指标随着施氮量的增加而增大,施氮量到达360、450 kg·hm-2时则下降。不施氮处理的光合作用最低,高氮处理随着连续定位年限越长,对光合能力的抑制作用越严重,这可能是植物体内的氮素积累,影响光合电子传递,造成高氮(N360、N450)处理的光合作用能力较低,影响了产量的形成。

施氮量对作物产量具有显著影响。秦宇坤等[24]对不同施氮水平研究发现,施氮量超过360 kg·hm-2时,籽棉产量下降。而本试验发现连续3年施氮量为270 kg·hm-2时,产量均高于其他处理,这与长期定位施氮对小麦、玉米等产量研究结果一致[14-17]。郭胜利等[25]在1984—2007年对玉米、小麦长期轮作种植研究发现,不施氮处理的产量随着种植年限的推进而降低。索俊宇等[19]对滴灌棉田施氮量研究表明,未施氮处理的产量下降,施氮量为238～395 kg·hm-2时,连续4年产量波动不大,而施氮量为476～634 kg·hm-2时,产量显著下降。而本研究结果表明,在3年的高中低施氮量处理中棉花产量均随着施氮量的增加呈先增加后下降的趋势,均在施氮量为270 kg·hm-2时达到最高,但是随着连续定点定量施氮年限的增加,相同施氮量下不同种植年间产量的差异较大,尤其为不施、少施和高施氮量。连续未施氮处理的产量始终为最低水平,一直处于消耗土壤养分的状态,得不到养分的供给使产量严重下降。连续3年高氮(N450)处理的产量均低于中氮(N270)、低氮(N180)处理。N450处理连续定位年限越长,对产量抑制效果越显著,表明长期高量施氮有可能是土壤氮素积累,导致其他营养元素成为产量的限制因素,削弱了植株的光合作用,产量也随之下降。

综上所述,连续定位不同施氮水平对棉花光合特性及产量有显著影响。无论是棉花光合指标还是单铃重、单株铃数等产量构成因素及产量均表现为连续定位3年各处理间的差异较连续定位2年更显著。施氮量为中等(270 kg·hm-2)时,更有利于光合作用,从而获得高产。